TCP Socket 編程實戰：實現簡易英譯漢服務

前言：

TCP（傳輸控制協議）是一種面向連接、可靠的流式傳輸協議，與 UDP 的無連接特性不同，它通過三次握手建立連接、四次揮手斷開連接，提供數據確認、重傳機制，保證數據有序且完整傳輸。本文將基于 TCP Socket 編程，實現一個支持多客戶端連接的英譯漢服務，并詳細解析 TCP 核心 API 及不同并發處理方案。

一、TCP 通信基本流程與核心 API

1. 通信流程概覽

服務器端：創建套接字 → 綁定地址端口 → 監聽連接 → 接受連接 → 數據交互 → 關閉連接
客戶端：創建套接字 → 連接服務器 → 數據交互 → 關閉連接

2. 核心 API 詳解（`sys/socket.h`）

socket()：創建套接字
int socket(int domain, int type, int protocol);
作用：打開一個網絡通信端口，返回文件描述符（類似文件操作的open()）。
參數：
domain：協議族，IPv4 用AF_INET；
type：套接字類型，TCP 用SOCK_STREAM（面向流）；
protocol：協議，默認填 0（自動匹配 type 對應的協議）。
返回值：成功返回非負文件描述符，失敗返回 - 1。

bind()：綁定地址與端口（服務器）
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
作用：將套接字與特定 IP 和端口綁定，使服務器能被客戶端找到。
參數：
sockfd：socket()返回的套接字描述符；
addr：通用地址結構體（需轉換為struct sockaddr_in具體設置 IPv4 信息）；
addrlen：地址結構體長度。
關鍵設置：
struct sockaddr_in local;
local.sin_family = AF_INET;         // IPv4
local.sin_port = htons(9999);       // 端口（主機字節序→網絡字節序）
local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 綁定所有本地IP
返回值：成功返回 0，失敗返回 - 1。

listen()：監聽連接（服務器）
int listen(int sockfd, int backlog);
作用：將套接字設為監聽狀態，允許接收客戶端連接。
參數：
backlog：最大等待連接隊列長度（通常設 5~10）。
返回值：成功返回 0，失敗返回 - 1。

accept()：接受連接（服務器）
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
作用：從監聽隊列中取出一個連接，創建新的套接字用于與客戶端通信（原套接字繼續監聽）。
參數：
addr：傳出參數，存儲客戶端地址信息；
addrlen：傳入傳出參數，地址結構體長度。
返回值：成功返回新套接字描述符（用于通信），失敗返回 - 1。

connect()：連接服務器（客戶端）
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
作用：客戶端向服務器發起連接（三次握手在此過程完成）。
參數：addr為服務器的地址信息（IP + 端口）。
返回值：成功返回 0，失敗返回 - 1。
數據讀寫：read()/write()
TCP 是流式傳輸，可直接用文件讀寫函數：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);  // 從套接字讀數據
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);  // 向套接字寫數據

二、英譯漢服務實現（單連接版本）

1. 功能設計

客戶端發送英文單詞，服務器返回對應的中文翻譯；
支持 “quit” 退出連接。

2. 核心代碼實現

輔助類：`nocopy`（禁止拷貝，避免套接字描述符重復釋放）

// nocopy.hpp
#pragma once
class nocopy {
public:nocopy() = default;nocopy(const nocopy&) = delete;  // 禁止拷貝構造nocopy& operator=(const nocopy&) = delete;  // 禁止賦值~nocopy() = default;
};

服務器端：`TcpServer.hpp`

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "nocopy.hpp"#define CONV(addr_ptr) ((struct sockaddr*)addr_ptr)  // 地址轉換宏
const int PORT = 9999;
const int BUFFER_SIZE = 1024;// 英譯漢字典（簡化版）
std::string translate(const std::string& english) {std::string chinese;if (english == "hello") chinese = "你好";else if (english == "world") chinese = "世界";else if (english == "computer") chinese = "電腦";else if (english == "program") chinese = "程序";else chinese = "未知單詞";return chinese;
}class TcpServer : public nocopy {
private:int _listensock;  // 監聽套接字bool _isrunning;  // 運行狀態public:TcpServer() : _isrunning(false) {}// 初始化服務器：創建套接字→綁定→監聽void Init() {// 1. 創建監聽套接字_listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listensock < 0) {std::cerr << "創建套接字失敗: " << strerror(errno) << std::endl;exit(1);}// 設置端口復用（避免服務器重啟時端口占用）int opt = 1;setsockopt(_listensock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));// 2. 綁定地址和端口struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(PORT);local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);if (bind(_listensock, CONV(&local), sizeof(local)) < 0) {std::cerr << "綁定失敗: " << strerror(errno) << std::endl;close(_listensock);exit(1);}// 3. 監聽連接if (listen(_listensock, 5) < 0) {std::cerr << "監聽失敗: " << strerror(errno) << std::endl;close(_listensock);exit(1);}_isrunning = true;std::cout << "服務器啟動成功，監聽端口 " << PORT << std::endl;}// 處理客戶端通信：英譯漢void Service(int client_sock) {char buffer[BUFFER_SIZE];while (true) {// 讀取客戶端發送的英文單詞ssize_t n = read(client_sock, buffer, BUFFER_SIZE - 1);if (n > 0) {buffer[n] = '\0';std::cout << "客戶端發送: " << buffer << std::endl;// 若客戶端發送"quit"，斷開連接if (std::string(buffer) == "quit") {std::cout << "客戶端請求斷開連接" << std::endl;break;}// 翻譯并返回結果std::string chinese = translate(buffer);write(client_sock, chinese.c_str(), chinese.size());}else if (n == 0) {  // 客戶端關閉連接std::cout << "客戶端已斷開" << std::endl;break;}else {  // 讀取出錯std::cerr << "讀取失敗: " << strerror(errno) << std::endl;break;}}close(client_sock);  // 關閉通信套接字}// 啟動服務器：循環接受連接void Start() {while (_isrunning) {struct sockaddr_in peer;  // 客戶端地址socklen_t peer_len = sizeof(peer);// 接受連接（阻塞等待）int client_sock = accept(_listensock, CONV(&peer), &peer_len);if (client_sock < 0) {std::cerr << "接受連接失敗: " << strerror(errno) << std::endl;continue;}std::cout << "新客戶端連接: " << inet_ntoa(peer.sin_addr) << ":" << ntohs(peer.sin_port) << std::endl;Service(client_sock);  // 處理該客戶端（單連接版本：一次處理一個）}close(_listensock);  // 關閉監聽套接字}
};

服務器主函數：`server.cc`

#include "TcpServer.hpp"int main() {TcpServer server;server.Init();server.Start();return 0;
}

客戶端：`client.cc`

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>const int PORT = 9999;
const int BUFFER_SIZE = 1024;int main(int argc, char* argv[]) {if (argc != 2) {std::cerr << "用法: " << argv[0] << " 服務器IP" << std::endl;return 1;}// 1. 創建客戶端套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0) {std::cerr << "創建套接字失敗: " << strerror(errno) << std::endl;return 1;}// 2. 連接服務器struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(PORT);if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &server.sin_addr) <= 0) {  // IP字符串→二進制std::cerr << "無效的IP地址" << std::endl;close(sockfd);return 1;}if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) < 0) {std::cerr << "連接服務器失敗: " << strerror(errno) << std::endl;close(sockfd);return 1;}// 3. 交互：發送英文，接收中文翻譯char buffer[BUFFER_SIZE];while (true) {std::cout << "請輸入英文單詞（輸入quit退出）: ";std::string input;std::getline(std::cin, input);// 發送數據到服務器write(sockfd, input.c_str(), input.size());if (input == "quit") break;// 接收翻譯結果ssize_t n = read(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1);if (n > 0) {buffer[n] = '\0';std::cout << "翻譯結果: " << buffer << std::endl;}}close(sockfd);return 0;
}

三、支持多客戶端：并發處理方案

單連接版本一次只能處理一個客戶端，實際應用中需支持多并發。以下是三種常見方案：

1. 多進程版本

原理：每接受一個客戶端連接，創建子進程處理該客戶端，父進程繼續接受新連接。

關鍵代碼：

void ProcessConnection(int client_sock, const struct sockaddr_in& peer) {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {  // 子進程close(_listensock);  // 子進程不需要監聽套接字Service(client_sock);  // 處理客戶端exit(0);  // 處理完退出} else if (pid > 0) {  // 父進程close(client_sock);  // 父進程不需要通信套接字// 回收子進程資源（避免僵尸進程）waitpid(pid, nullptr, WNOHANG);}
}

優缺點：簡單實現，但進程創建開銷大，適合連接數少的場景。

2. 多線程版本

原理：每接受一個客戶端連接，創建線程處理該客戶端，主線程繼續接受新連接。

關鍵代碼：

// 線程數據：通信套接字+客戶端地址
struct ThreadData {int sockfd;struct sockaddr_in addr;
};// 線程處理函數
static void* ThreadHandler(void* arg) {pthread_detach(pthread_self());  // 分離線程，自動回收資源ThreadData* data = (ThreadData*)arg;Service(data->sockfd);  // 處理客戶端close(data->sockfd);delete data;return nullptr;
}void ProcessConnection(int client_sock, const struct sockaddr_in& peer) {ThreadData* data = new ThreadData{client_sock, peer};pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ThreadHandler, data);  // 創建線程
}

優缺點：線程開銷小于進程，但大量連接時線程創建銷毀仍有開銷。

3. 線程池版本

原理：預先創建一批線程，客戶端連接到來時，將任務（處理邏輯）加入線程池隊列，線程池中的線程異步處理。

關鍵代碼：

// 線程池（簡化版）
template <typename Task>
class ThreadPool {
private:// 線程池實現（隊列+互斥鎖+條件變量）// ...
public:void Push(const Task& task) {  // 添加任務// 加鎖入隊，喚醒線程}
};// 服務器中使用線程池
void ProcessConnection(int client_sock, const struct sockaddr_in& peer) {// 綁定處理函數與參數auto task = std::bind(&TcpServer::Service, this, client_sock);ThreadPool<decltype(task)>::GetInstance()->Push(task);  // 任務入池
}

優缺點：避免頻繁創建銷毀線程，適合高并發場景，是工業級常用方案。

四、編譯與運行

# 編譯服務器（以多線程版本為例）
g++ server.cc -o translator_server -lpthread
# 編譯客戶端
g++ client.cc -o translator_client

運行步驟

啟動服務器：./translator_server
啟動客戶端（多終端可啟動多個）：./translator_client 127.0.0.1
客戶端輸入英文單詞（如 “hello”），接收中文翻譯；輸入 “quit” 退出。

五、總結

本文通過實現一個英譯漢服務，詳細講解了 TCP Socket 編程的核心流程與 API，并對比了單連接、多進程、多線程、線程池四種處理方案的優缺點。TCP 的可靠性使其適合需要確保數據完整傳輸的場景（如本文的翻譯服務、文件傳輸等），而并發方案的選擇需根據實際業務的連接量和性能需求決定。

TCP Socket 編程實戰：實現簡易英譯漢服務

前言：

一、TCP 通信基本流程與核心 API

1. 通信流程概覽

2. 核心 API 詳解（sys/socket.h）

socket()：創建套接字

bind()：綁定地址與端口（服務器）

listen()：監聽連接（服務器）

accept()：接受連接（服務器）

connect()：連接服務器（客戶端）

數據讀寫：read()/write()

二、英譯漢服務實現（單連接版本）

1. 功能設計

2. 核心代碼實現

輔助類：nocopy（禁止拷貝，避免套接字描述符重復釋放）

服務器端：TcpServer.hpp

服務器主函數：server.cc

客戶端：client.cc

三、支持多客戶端：并發處理方案

1. 多進程版本

2. 多線程版本

3. 線程池版本

四、編譯與運行

運行步驟

五、總結

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2. 核心 API 詳解（`sys/socket.h`）

`socket()`：創建套接字

`bind()`：綁定地址與端口（服務器）

`listen()`：監聽連接（服務器）

`accept()`：接受連接（服務器）

`connect()`：連接服務器（客戶端）

數據讀寫：`read()`/`write()`

輔助類：`nocopy`（禁止拷貝，避免套接字描述符重復釋放）

服務器端：`TcpServer.hpp`

服務器主函數：`server.cc`

客戶端：`client.cc`